胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态相关的影像学分析

doi:10.12307/2021.202

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (27): 4390-4394.doi: 10.12307/2021.202

• 骨与关节图像与影像 bone and joint imaging • 上一篇下一篇

胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态相关的影像学分析

周元博，黄文亮，王晋东

1山西医科大学第二医院，山西省太原市 030000；2漯河医学高等专科学校第二附属医院，河南省漯河市 462000

收稿日期:2020-11-05 修回日期:2020-11-06 接受日期:2020-11-26 出版日期:2021-09-28 发布日期:2021-04-10
通讯作者: 王晋东，博士，副教授，副主任医师，山西医科大学第二医院，山西省太原市 030000
作者简介:周元博，男，1996年生，河南省漯河市人，汉族，山西医科大学在读硕士，在山西医科大学第二医院骨科规培，主要从事关节与运动医学方面的研究。

Imaging analysis of the correlation between tibial tuberosity-trochlea groove distance and femoral trochlea morphology

Zhou Yuanbo, Huang Wenliang, Wang Jindong#br#

1Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, Shanxi Province, China; 2Second Affiliated Hospital of Luohe Medical College, Luohe 462000, Henan Province, China

Received:2020-11-05 Revised:2020-11-06 Accepted:2020-11-26 Online:2021-09-28 Published:2021-04-10
Contact: Wang Jindong, MD, Associate professor, Associate chief physician, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, Shanxi Province, China
About author:Zhou Yuanbo, Master candidate, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030000, Shanxi Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
股骨滑车发育不良：正常股骨滑车面的形态类似“U”形，从近端到远端“U”形逐渐变陡变深，而滑车发育不良可定义为滑车的沟槽或内外侧滑车面的骨性异常，特征是滑车面平坦或沟浅，最早是由瑞典BRATTSTROM教授提出。
胫骨结节-滑车沟距离(TT-TG)：胫骨结节中心与滑车沟的内外水平距离值，是一个比Q角更可靠且能够评估髌股关节不稳的指标，其值大于15 mm与髌骨不稳密切相关，若大于20 mm可考虑胫骨结节内移术。

背景：股骨滑车发育不良是导致髌股关节不稳的最重要危险因素，对于滑车发育的形态是先天基因决定的还是与后天髌股关节间的应力刺激有关，目前尚没有定论，因胫骨结节-滑车沟距离的大小会影响髌股关节内外侧的压力，所以通过分析胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态是否存在相关性，来验证滑车发育形态是否与后天髌骨应力的刺激有关。
目的：探索胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态的相关性。
方法：回顾性分析2019年6至8月在漯河医学高等专科学校第二附属医院就诊患者的膝关节CT图像，纳入154例患者，其中男80例，女74例，年龄18-55岁。根据评估滑车不良的Dejour分型法，分为滑车发育不良组(DejourA型、B型、C型、D型)和正常组(沟角≤145°)，并在影像分析系统上测量胫骨结节-滑车沟距离和股骨滑车形态学指标(滑车的沟角、滑车外侧倾斜角、内外侧滑车高度、中心滑车高度、滑车深度、滑车面不对称性)。采用曼-惠特尼U检验比较滑车发育不良组与正常组的胫骨结节-滑车沟距离的差异，采用Pearson相关分析来研究胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态的相关性。
结果与结论：滑车不良组比正常组有更大的胫骨结节-滑车沟距离(P < 0.001)，胫骨结节-滑车沟距离与大部分滑车形态学指标存在相关性：滑车沟角(r=0.487，P < 0.001)、外侧倾斜角(r=-0.286，P < 0.001)、内侧滑车高度(r=-0.174，P=0.031)、滑车深度(r=-0.299，P < 0.001)、滑车面不对称性(r=-0.301，P < 0.001)、Dejour分型(r=0.496，P < 0.001)，而与外侧滑车高度(r=0.001，P=0.993)、中心滑车高度(r=0.102，P=0.210)没有发现相关性。结果表明，胫骨结节-滑车沟距离增大与股骨滑车发育不良存在相关性，支持了髌股关节应力刺激会影响股骨滑车发育的假说，为临床治疗儿童髌股关节不稳提供了理论依据。
https://orcid.org/0000-0002-7550-6028 (周元博)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 髌股关节不稳, 胫骨结节-滑车沟距离, 滑车发育不良, CT, Dejour分型, 滑车沟角, 相关性分析

Abstract: BACKGROUND: Femoral trochlear dysplasia is the most important risk factor for patellofemoral instability. There is no consistent conclusion as to whether the morphology of femoral trochlear is determined by congenital genes or related to the stimulation of the patellofemoral compression. The tibial tuberosity-trochlea groove distance can affect the pressure of the patellofemoral joint, so the relationship between the tibial tuberosity-trochlea groove distance and femoral trochlear morphology was analyzed to verify whether the trochlear morphology is related to the stress stimulation of patella.
OBJECTIVE: To investigate the relationship between tibial tuberosity-trochlea groove distance and trochlea morphology.
METHODS: A total of 154 CT scans from June to August 2019 in Second Affiliated Hospital of Luohe Medical College were analyzed retrospectively. There were 80 males and 74 females, aged 18-55 years. Based on Dejour trochlea classification, the subjects were divided into two groups: trochlea dysplasia group (types A-D) and normal group (sulcus angle ≤ 145°). Researchers measured tibial tuberosity-trochlea groove distance and radiologic parameters characterizing the form of trochlea, including sulcus angle, the lateral trochlea slope, trochlea height (medial, central, lateral), trochlea depth, and trochlea facet asymmetry. The Man-whitney U test was used to evaluate differences in tibial tuberosity-trochlea groove distance between trochlea group and normal group. Pearson correlation analysis was performed between tibial tuberosity-trochlea groove distance and parameters of trochlea morphology.
RESULTS AND CONCLUSION: Trochlea dysplasia group showed higher values for tibial tuberosity-trochlea groove distance than normal group (P < 0.001). Tibial tuberosity-trochlea groove distance significantly correlated with most trochlea parameters evaluated, including sulcus angle (r=0.487, P < 0.001), the lateral trochlea slope (r=-0.286, P < 0.001), medial trochlea height (r=-0.174, P=0.031), trochlea depth (r=-0.299, P < 0.001), trochlea facet asymmetry (r=-0.301, P < 0.001), and Dejour trochlea type (r=0.496, P < 0.001). No correlation was found in lateral trochlea height (r=0.001, P=0.993) and central trochlea height (r=0.102, P=0.210). These findings showed that tibial tuberosity-trochlea groove distance is significantly related to the trochlear dysplasia. This result supports the hypothesis that the stimulation of the patellofemoral compression can affect the development of trochlea, and provides a theoretical basis for the clinical treatment of children with patellofemoral instability.

Key words: patellofemoral instability, tibial tuberosity-trochlea groove distance, trochlea dysplasia, CT, Dejour classification, sulcus angle, correlation analysis

中图分类号:

周元博, 黄文亮, 王晋东. 胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态相关的影像学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(27): 4390-4394.

Zhou Yuanbo, Huang Wenliang, Wang Jindong. Imaging analysis of the correlation between tibial tuberosity-trochlea groove distance and femoral trochlea morphology[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(27): 4390-4394.

图/表（结果） 3

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引言

髌股关节不稳可定义为膝关节屈伸过程中髌骨相对于股骨滑车的异常的运动轨迹，甚至出现髌骨脱位的临床问题。髌骨周围软组织和骨性结构的异常是导致髌股关节不稳的主要原因，包括：内侧髌股韧带损伤、股骨滑车发育不良、高位髌骨、膝外翻、过大的股骨和胫骨扭转畸形，过大的胫骨结节-滑车沟距离(TT-TG)等[1-3]，而且大约60%的髌股关节不稳患者同时存在多个危险因素[4]，其中股骨滑车发育不良被视为髌股关节不稳的最主要危险因素[5-7]。生物力学实验表明，伴有滑车发育不良的膝关节会出现更大的髌骨外倾与内旋，髌股关节的接触面积也比正常组减少，而且当对髌骨施加100 N的外侧拉力时，滑车发育不良的髌骨比正常组平均多外移3 mm[8]。另外，有限元分析也表明滑车的外侧倾斜角减小，其髌骨轨迹会出现更大的外移[9]。据统计，DEJOUR等[10]报道96%的髌股关节不稳患者存在滑车发育不良，而正常人的数据为3%；LEWALLEN等[11]也报道了年龄小于25岁且伴有滑车发育不良的初次髌骨脱位患者5年内再次脱位的发生率高达60%-70%。因此，获得良好的滑车发育对于解决髌股关节不稳问题至关重要。
关于股骨滑车发育的形态是基因决定的还是后天造成的目前尚没有定论，早期有学者报道胎儿的滑车形态与成人没有统计学差异，提示后天对滑车形态影响并不大[12-13]，但是有一系列从基础到临床的研究表明滑车发育的形态与髌骨的应力刺激密切相关。首先，国内外一些幼兔实验表明，通过手术将幼兔髌骨切除或致其脱位状态，相比对照组，幼兔的滑车会逐渐发育不良[14-16]；而且有学者发现胎位是膝关节持续伸直状态下的新生儿，其滑车发育不良发生率将提高45倍[17]，说明在妊娠晚期保持正常的膝关节屈伸对于刺激滑车发育很重要。类似的，高位髌骨因无法与滑车充分接触，其与滑车发育不良也存在相关性[18-19]。
为了进一步验证滑车的发育是否与髌骨的应力刺激有关，此次研究主要探索胫骨结节-滑车沟距离与滑车发育形态是否有相关性。选择胫骨结节-滑车沟距离的原因在于，生物力学实验已表明随着胫骨结节-滑车沟距离的增大，髌股关节外侧压力会增大，而髌股关节内侧压力会减小[20-21]，因此作者猜想，胫骨结节-滑车沟距离的变化会影响股骨滑车内外侧髁的发育，从而造成滑车发育不良。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计影像学回顾性分析(Pearson相关性分析)。
1.2 时间及地点 2020年3至4月在漯河医学高等专科学校第二附属医院影像科完成资料收集与分析。
1.3 对象回顾性分析2019年6至8月在漯河医学高等专科学校第二附属医院就诊患者的膝关节CT图像，年龄在18-55岁之间，包括股骨滑车发育不良及滑车发育正常的膝关节CT图像。排除标准：①膝关节外伤骨折患者；②严重髌股关节炎患者(KL分级为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)；③行膝关节手术患者(包括韧带重建、膝关节置换、骨折内固定、胫骨结节转移术等)；④存在膝关节肿物患者；⑤骨骺还未闭合患者。最终有154例患者符合纳入标准，其中男80例，女74例，年龄18-55岁。
1.4 方法该研究使用GE light speed 128排CT机(漯河医专高等专科学校第二附属医院影像科)，被检查对象采取仰卧位，足先进，两腿伸直并拢，螺旋扫描，扫描范围自膝关节上方10 cm至膝关节下方10 cm。选取每个研究对象的一侧膝关节CT图像，并直接在影像分析系统上(PACS系统)进行测量，精度为0.01 mm，0.01°，测量内容包括胫骨结节-滑车沟距离和股骨滑车的形态学参数(滑车沟角、滑车外侧倾斜角、内外侧滑车高度、中心滑车高度、滑车深度、滑车面不对称性、Dejour分型)。由1名影像科副主任医师兼副教授和1名骨科专业研究生测量，首先共同测量30例患者CT图像，所有指标的组间相关系数(ICC)均大于0.9，其余的CT图像由2名人员分别测量。
1.4.1 胫骨结节-滑车沟距离的测量在CT横断面图像上，选取股骨髁间窝形态圆滑像“罗马门”的横断面作为滑车层面，选取胫骨结节最突出所在的横断面作为胫骨结节层面。
在滑车层面上，将股骨内外侧髁最后缘的连线定义为后髁线a，从滑车沟最深点向后髁线做垂线为股骨端垂线b(对于滑车发育不良D型患者，以滑车关节面的中点向后髁线做垂线为股骨端垂线)。见图1A。
将上述a，b两线转移至所有平面，在胫骨结节层面上，对于胫骨结节突出的弧面，弧线连线的中垂线与胫骨结节前缘的交点作为胫骨结节中心点，然后从胫骨结节中心点向后髁线a做垂线为胫骨端垂线c，股骨端垂线b与胫骨端垂线c的距离就是胫骨结节-滑车沟距离。见图1B。

.4.2 股骨滑车形态的测量所有测量均在上述滑车层面上。首先，采用量化的方式评估滑车的发育情况，然后对滑车发育的形态分组及分型。
(1)滑车的沟角：股骨滑车沟的最低点与内外侧股骨滑车的最高点连线的夹角为滑车的沟角，其值大于145°被认为滑车发育不良[10]。见图2a。
(2)滑车外侧倾斜角：股骨后髁线与股骨外侧关节面的夹角为滑车外侧倾斜角，其值小于11°可诊断为滑车发育不良(敏感性93%，特异性87%)[22]，而且该角度被评价为最实用且可靠[23]。见图2b。
(3)内侧、外侧、中心滑车高度及滑车深度：内侧滑车最高点到后髁线垂直距离M与股骨髁最外侧到股骨髁最内侧的距离W的比值为内侧滑车高度[24]。见图2c。
外侧滑车最高点到后髁线垂直距离L与股骨髁最外侧到股骨髁最内侧的距离W的比值为外侧滑车高度[24]。见图2c。
滑车沟最凹点到后髁线垂直距离D与股骨髁最外侧到股骨髁最内侧的距离W的比值为中心滑车高度[24]。见图2c。
BIEDERT等[24]认为这种测量方法可重复性好，并且发现髌骨脱位患者内侧及中心滑车高度显著高于对照组，提出外侧滑车高度小于0.77可考虑发育不良。
滑车深度为(M+L)/2-D[25]，深度小于3 mm可诊断为滑车发育不良(敏感性100%，特异性96%)。见图2c。
(4)滑车面不对称性：内侧滑车面长度E与外侧滑车面长度F的比值为滑车面不对称性，其值小于2∶5可诊断为滑车发育不良(敏感性100%，特异性96%)[25]。见图2d。
(5)分组及滑车发育不良的Dejour分型：如果滑车的沟角≤145°且内外侧滑车形态发育正常，则视为正常组，如果滑车沟角> 145°，则视为滑车发育不良组，然后在滑车发育不良组中根据经典的Dejour分型进一步分为4型：A型是滑车沟角> 145°，内外侧滑车形态基本正常；B型是内外侧滑车面平坦；C型是外侧滑车形态呈凸轮状，内侧滑车形态发育不全；D型是外侧滑车形态呈凸轮状，内侧滑车形态发育不全，内外侧滑车之间呈现“悬崖征”。

1.5 主要观察指标胫骨结节-滑车沟距离和股骨滑车形态学指标。
1.6 统计学分析所有数据采用SPSS 24.0进行统计学分析。由于正常组的胫骨结节-滑车沟距离不符合正态分布，采用曼-惠特尼U检验来分析滑车发育不良组与正常组之间的胫骨结节-滑车沟距离差异有无显著性意义。采用Pearson双侧检验来分析胫骨结节-滑车沟距离与滑车发育形态的相关性。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

此次研究结果表明，胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态存在相关性，进一步支持了股骨滑车的形态发育与受到的髌骨应力刺激有关的假设。IMHOFF等[26]在151例有髌股关节紊乱患者的研究中发现，重度股骨滑车发育不良组(DejourB、C、D型)比轻度股骨滑车发育不良组(DejourA型)有更大的胫骨结节-滑车沟距离(P < 0.002)，与此研究发现类似，即滑车不良组(DejourA、B、C、D型)比正常组有更大的胫骨结节-滑车沟距离。然而，胫骨结节-滑车沟距离与量化的滑车形态的相关性还没有报道过，该研究表明胫骨结节-滑车沟距离与大部分滑车形态学指标存在相关性，其中胫骨结节-滑车沟距离与滑车沟角(r=0.487)、Dejour分型(r=0.496)呈正相关，与外侧倾斜角、内侧滑车高度、滑车深度、滑车面不对称性呈负相关(-0.301 < r < -0.174)，但与中心滑车高度、外侧滑车高度没有相关性。
正常的股骨滑车面近似“U”形，从近端到远端“U”形逐渐变陡变深，而股骨滑车发育不良则是以滑车结构扁平及深度变浅为特征，由瑞典BRATTSTROM教授[27]提出。目前有关股骨滑车的发育理论，主要包括基因遗传因素和髌骨生物力学刺激两方面。①在基因遗传因素的研究方面，GARRON等[12]和GLARD等[13]通过测量胎儿尸体的股骨滑车形态，发现其与成人的滑车形态没有差异。ØYE等[28]对新生儿追踪了6年的时间，发现其滑车的沟角只有微小的变化(滑车发育不良组的平均沟角由160°变为158°，正常组由149°变为151°)，而且这种变化只发生在前18个月，以上研究都表明股骨滑车发育形态与先天基因有关。②在髌骨对滑车的生物力学刺激方面，许多动物实验表明，通过手术切除幼兔髌骨或致其脱位会影响股骨滑车的正常发育[14-15，29]。在人体方面，ØYE等[17]发现胎位是臀先露的新生儿出现滑车发育不良的概率是头先露的15倍，因臀先露的膝关节往往处于伸直状态，进一步统计发现，胎位是膝关节持续伸直状态的新生儿滑车发育不良的概率是膝关节可以自由屈伸的45倍，说明在妊娠晚期保持正常的髌骨轨迹可刺激滑车的正常发育，而且高位髌骨因无法与滑车充分接触也可导致滑车发育不良，徐鑫[19]采用MRI测量了髌骨的高度(ISI指数)和股骨滑车发育形态的指标，发现髌骨高度与滑车发育形态有相关性，比如滑车沟角(r=0.224，P=0.02)、滑车深度
(r=-0.258，P=0.005)、滑车面的不对称性(r=-0.381，P < 0.001)、外侧倾斜角(r=-0.267，P=0.005)、滑车中心高度(r=0.319，P=0.001)、内侧滑车高度(r=0.217，P=0.024)等。
LIEBENSTEINER等[30]通过CT测量发现股骨前倾角过大与滑车发育不良也存在相关性，作者推测前倾角过大会增大Q角而改变滑车关节面的内外侧压力，进而影响股骨滑车的形态发育。类似的，胫骨结节-滑车沟距离也会影响滑车关节面受到的压力，STEPHEN等[20]和纪刚[21]通过手术改变8具成人尸体胫骨结节的位置，发现随着胫骨结节-滑车沟距离的增大，髌股关节外侧压力会增大，而髌股关节内侧压力会减小。结合该研究结果，可以推测胫骨结节-滑车沟距离过大会影响股骨滑车内外侧关节面受到的机械应力，进而导致滑车内外侧关节面不对称。
与上述高位髌骨研究结果不同的是，此次研究并没有发现胫骨结节-滑车沟距离与滑车中心高度、外侧滑车高度有相关性，原因可能有两点：①高位髌骨会对整个滑车面应力刺激不足，而胫骨结节-滑车沟距离过大造成内外侧滑车面压力不均衡，只会导致内侧滑车应力刺激不足而发育不良(r=-0.174)，中心与外侧滑车面依然有足够的应力刺激，所以二者发育正常；②BIEDERT等[24]发现髌骨不稳组与正常组在外侧滑车高度上并没有差异，所以外侧滑车高度并不是特别好的评估滑车发育不良的指标，所以胫骨结节-滑车沟距离与它没有相关性。
该研究结果的意义在于验证了髌股关节之间的压力会影响滑车的发育，进一步为临床治疗滑车发育不良提供了理论依据。基础研究表明，对于髌骨脱位的幼兔，如果能及时对其髌骨复位的话，可阻止滑车发育不良的产生[29]。付琨朋[31]对23例患有双侧复发性髌骨脱位伴滑车发育不良儿童(5-11岁，平均年龄7.6岁)的一侧膝关节行内侧髌骨支持带成形术，而对侧膝关节保守治疗，术前CT测量两侧的滑车形态学指标没有差异，而术后随访48个月后发现，手术侧的滑车形态较保守治疗侧明显改善，所以行内侧髌骨支持带重建术的意义不仅仅是在治疗复发性髌骨脱位上取得满意的临床效
果[32-33]，也可以恢复髌骨的正常轨迹进而刺激滑车的发育。然而，RAJDEV等[34]对年龄大于10岁的儿童行髌骨稳定手术，发现术后滑车的形态并没有改善，建议10岁以前行髌骨稳定手术才会改善滑车的形态。
结论：研究表明，胫骨结节-滑车沟距离增大与股骨滑车发育不良存在相关性，支持了髌股关节的应力刺激会影响股骨滑车发育的假说，为临床治疗儿童髌股关节不稳提供了理论依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

胫骨结节-滑车沟距离与股骨滑车发育形态相关的影像学分析

Imaging analysis of the correlation between tibial tuberosity-trochlea groove distance and femoral trochlea morphology

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